Modeling of porous polymer membrane formation

Abstract

Porous polymer membranes are used in several separation processes, e.g. in dialysis or in water purification. The morphology of the membrane affects the quality of separation, e.g. selectivity, as well as the mechanical stability of the membrane. To control the morphology of the membrane during the preparation process we first need to understand the mechanism that leads to different pore structures. It is desirable to use a numerical model to predict the pore type and detailed structure. Wet-casting is a very common preparation process for porous polymer membranes where a liquid precipitation agent is used. Herein, a polymer solution and a coagulation bath is brought into contact. After contact the polymer solution is driven into a miscibility gap and starts to phase separate into a polymer lean and a polymer rich phase. Starting from the contact area between polymer solution and coagulation bath a pore structure grows where the polymer rich phase leads to the pore matrix. Although the process is used frequently in the last decades, its mechanism is still not fully understood. Therefore, the motivation in this thesis is to bridge experimental observations from membrane science to theoretical physics where concepts exist to understand the formation of pore structures in porous polymer membranes.

Poröse Polymermembranen kommen in verschiedenen Trennprozessen wie z.B. der Dialyse oder Wasseraufbereitung zum Einsatz. Dabei beeinflusst die Porenstruktur nicht nur die Trenneigenschaften sondern auch die mechanische Stabilität der Membran. Um gezielt Einfluss auf die Poren-struktur im Herstellungsprozess nehmen zu können, muss daher zunächst der Mechanismus, der zur Porenstruktur führt, verstanden werden. Für eine Vorhersage der Porenstruktur ist ein numerisches Modell zur Abschätzung der Porenmorphologie wünschenswert. Ein typischer Herstellungsprozess von porösen Polymermembranen ist das Ausfällen einer Polymerlösung mit einem flüssigen Fällungsmittel. Dabei werden eine Polymerlösung und ein Fällungsmittel in Kontakt gebracht. Ausgehend von der Kontaktfläche zerfällt die Polymerlösung aufgrund einer Mischungslücke in eine polymerreiche und eine polymerarme Phase, wobei die polymerreiche Phase sich verfestigt und die Membranstruktur bildet. Obwohl dieser Prozess bereits seit Jahrzehnten industriell verwendet wird, ist der Mechanismus, der zur Bildung der Porenstruktur führt, bis heute noch nicht zweifelsfrei belegt. Die Motivation dieser Arbeit ist es daher die Lücke zwischen der meist experimentellen Membrantechnik und der theoretischen Beschreibung zu schließen und den Mechanismus der Porenbildung aufzuzeigen.